Изготовление и тепловая обработка технической керамики

Керамические материалы получают из искусственно синтезированных или природных тонкодисперсных порошков неорганических химических соединений (оксидов, нитридов, карбидов и др.) размером от одного до десятков микрометров.

Принципиальная технологическая схема изготовления керамических материалов включает измельчение исходных материалов до тонкодисперсного однородного состояния, подготовку керамической массы, формование и отжиг. Искусственные и природные материалы различаются по количественному и качественному содержанию примесей, физико-химическим показателям (размерам и форме частиц, удельной поверхности и др.).

Основу технической керамики составляют оксиды Al₂O₃иZrO₂, нитрид Si₃N₄, карбид SiС, силикаты, алюмосиликаты. Для улучшения формования непластичных керамических масс добавляют вспомогательные вещества – пластификаторы. В зависимости от выполняемой ими роли они подразделяются на ряд разновидностей:

· связующие вещества (глицерин, крахмал, поливиниловый спирт и др.), которые хорошо смачивают поверхность твердых частиц и склеивают их;

· пластифицирующие вещества (парафин, льняное масло, церезин и др.) в виде жидкостей, способные растворять связующие вещества и давать вместе с ними жидкие прослойки между твердыми частицами керамической массы;

· смазывающие вещества (трансформаторное, тунговое масла), представляющие неполярные жидкие масла с малым поверхностным натяжением, применяемые для уменьшения трения и прилипания массы к поверхности прессформы;

· поверхностно-активные вещества (олеиновая и стеариновая кислоты), улучшающие смачивание керамических частиц пластификатором.

В зависимости от содержания пластификаторов различают три разновидности керамических масс:

1. Пресс – порошки с 3…10 % пластификаторов.

2. Пластичные формовочные массы, содержащие 7…20 % пластификаторов.

3. Литьевые шликеры, имеющие до 40 % пластификаторов.

Подготовленные керамические массы подвергают формованию (компактированию) в изделия заданной формы и размеров с последующей высокотемпературной обработкой (отжигом).

Формование выполняют способами прессования пресс – порошков, мундштучного выдавливания пластичных формовочных масс, шликерного литья. Выбор способа формования определяется формой, размером и точностью деталей, технологическими свойствами применяемых керамических масс, количеством изготовляемых деталей.

Прессование заключается в получении изделия из сыпучих керамических пресс – порошков под действием внешнего давления. Различают полусухое статическое прессование в стальных прессформах при давлениях 30… 150 МПа; сырое прессование заготовок различной конфигурации из керамических масс, увлажненных водой до 20…25 %-ной влажности, при давлении 5…8 МПа; мундштучное прессование стержней, трубок, цилиндров из керамической пластичной вакуумированной массы с добавкой воды до 15…18 %-ной влажности; гидростатическое прессование изделий трубчатого сечения с большим отношением высоты к диаметру, пресс – порошок помещается в эластичную оболочку, на которую передается давление воды около 400 МПа. Применяются и другие способы формования: полусухое прессование; мокрое прессование, горячее прессование и др.

Сформованные заготовки подвергают обжигу при высоких температурах, что в результате прохождения процессов переноса и перераспределения вещества приводит к уплотнению и упрочнению материала. Подвергнутые обжигу керамические изделия получают заданные физико-механические свойства.

Различают три температурных периода обжига сформованных керами-

ческих масс:

· нагрев при температурах от 150…200 ⁰С до 850…1000 ⁰С со скоростью ~ 140 град/час в окислительной атмосфере для удаления влаги, химически связанной воды, выгорания органических веществ, образования требуемых фаз;

· нагрев от 850…1000 ⁰С до 900…1050 ⁰С со скоростью 10…20 град/час в окислительной среде с целью выравнивания температуры по всему объему и выгорания остатков органических веществ;

· нагрев от 900…1050 ⁰С до достижения максимальной температуры 1250…1750 ⁰С со скоростью 50…80 град/час в нейтральной среде, выдержка в течение 2…3 часов, охлаждение с печью.

Большое разнообразие технических керамических материалов, их широкое применение в электротехнике, электронике, машиностроении и других областях обусловило значительное различие составов и технологий изготовления. Эти вопросы применительно к конкретным разновидностям керамики рассматриваются в специальной литературе.